Yhdyskuntalietteen kuivaus, -poltto-ominaisuudet ja - hyötykäyttö

Transkriptio

1 Lappeenrannan teknillinen yliopisto School of Energy Systems Energiatekniikan koulutusohjelma BH10A0202 Energiatekniikan kandidaatintyö Yhdyskuntalietteen kuivaus, -poltto-ominaisuudet ja - hyötykäyttö Drying, combustion qualities and utilization of municipal sewage sludge Työn tarkastaja: Jouni Ritvanen Työn ohjaaja: Jouni Ritvanen Lappeenranta Hanna Miettinen

2 2 TIIVISTELMÄ Hanna Miettinen School of Energy Systems Energiatekniikan koulutusohjelma Opinnäytetyön ohjaaja: Jouni Ritvanen Kandidaatintyö 2018 sivut 30, kuvat 2, taulukot 4 Hakusanat: Yhdyskuntaliete, yhdyskuntalietteen kuivaus, yhdyskuntalietteen polttoominaisuudet, yhdyskuntalietteen tuhkan hyötykäyttö, yhdyskuntalietteen haitta-aineet Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää yhdyskuntalietteen hyötykäyttöä ja sen ominaisuuksia. Työssä käsitellään lietteen käyttöä energiantuotannossa, lietteen käsittelytekniikoita ja näiden ympäristövaikutuksia. Työssä pyritään tunnistamaan tärkeimmät haitta-aineet yhdyskuntalietteessä. Työssä käsitellään myös energiantuotannon tuhkan hyötykäyttöä. Kandidaatintyö toteutetaan kirjallisuustyönä. Yhdyskuntalietteiden hyötykäytöstä tulee jatkuvasti uutta tietoa. Tästä syystä työssä pyritään käyttämään mahdollisimman uusia lähteitä. Lähteinä pyritään käyttämään pääasiassa tieteellisiä julkaisuja ja aiheeseen liittyvien yritysten omia internet-materiaaleja. Työtä tehdessä tultiin siihen johtopäästökseen, että yhdyskuntalietteen poltto ei ole energiantuotantomuotona kannattava. Lietteen poltto on kuitenkin kokonaislaatuisena ratkaisuna paras vaihtoehto. Poltossa lietteestä tuhoutuu kemiallisia ja biologisia haittaaineita, jotka muissa tutkituissa käsittelytavoissa jäävät valmiiseen tuotteeseen. Kiertotalouden näkökulmasta lietteen polton tuhkasta voi ottaa talteen paljon erilaisia aineita. Tärkeimpänä näistä on fosfori.

3 3 SISÄLLYSLUETTELO Tiivistelmä 2 Sisällysluettelo 3 Symboli- ja lyhenneluettelo 4 1 Johdanto Työn tavoite Työn rakenne ja -rajaukset Yhdyskuntaliete yleisesti Yhdyskuntalietteen sisältämiä haitta-aineita ja muita ominaisuuksia Yhdyskuntalietteen koostumus Yhdyskuntalietteen käyttö energiantuotannossa Yhdyskuntalietteen esikäsittely Lietteen tiivistys Lietteen laskeutustiivistys eli gravitaatiotiivistys Lietteen flotaatiotiivistys Lietteen stabilointi Kalkkistabilointi Anaerobinen mädätys Kompostointi Yhdyskuntalietteen kuivaus Mekaaninen kuivaus Linkokuivain Suotonauhapuristin Terminen kuivaus Leijupetikuivain lietteelle Kuivatun yhdyskuntalietteen poltto Kuivatun yhdyskuntalietteen poltto-ominaisuudet Yhdyskuntalietteen poltto PAKU-laitoksessa Yhdyskuntalietteen polton päästöt Yhdyskuntalietteen polton kaasumaiset päästöt Yhdyskuntalietteen polton tuhka ja sen hyötykäyttö Yhteenveto 33 Lähdeluettelo 35

4 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO Roomalaiset aakkoset LHV tehollinen lämpöarvo [MJ/kg] l latentti lämpö [MJ/kg] m massa [kg] Kreikkalaiset aakkoset w pitoisuus [-] Alaindeksit ar tulotilassa ash tuhka dry kuiva daf kuiva ja tuhkaton ka kuiva-aine Lyhenteet BFB kuplapetikattila CFB kiertopetikattila ECN Energy research Center of the Netherlands PF pölypoltto kattila

5 5 1 JOHDANTO Jäteveden puhdistuksessa syntyy lietettä. Siihen tiivistetään veden epäpuhtaudet. Tällöin puhdas vesi voidaan päästää takaisin luontoon mahdollisimman pienillä ympäristöseurauksilla. Nykyisin Suomessa yhdyskuntalietettä käytetään pääasiassa kompostituotteena ja viherrakentamiseen. Lietteessä on kuitenkin vedenpuhdistusprosessista poistetut haitta-aineet. Näillä hyötykäyttömenetelmillä haittaaineet päätyvät maaperään. Jätevedessä ja siitä saatavassa yhdyskuntalietteessä on paljon resursseja, kuten kasveille hyödynnettävässä muodossa olevaa fosforia ja typpeä sekä erilaisia metalleja. Esimerkiksi Amsterdamissa ei haluta enää ajatella yhdyskuntalietettä jätteenä, vaan resurssina. (Van der Hoek 2016.) Esimerkiksi fosforia tarvitaan paljon, mutta nykyisin käytettävät fosforilannoitteet riittänevät vain seuraavat vuotta. Näin tarvitaan vaihtoehtoisia fosforin lähteitä. Yhdyskuntalietteistä sitä voi eristää lietteestä tai polton jälkeisestä tuhkasta. Tuhkassa on paljon haitta-aineita, eikä sitä saa käyttää suoraan lannoitustarkoituksiin. (Koskinen ) Monessa Euroopan maassa joko on olemassa lainsäädäntöä jäteveden sisältämän fosforin talteenoton ja kierrätyksen lisäämiseksi, tai sellainen on tulossa. Näin edistetään fosforin kiertotaloutta. Esimerkiksi Sveitsin lainsäädäntö vaatii jätevesilietteen fosforin talteenoton lietteestä tai sen tuhkasta. Siirtymäajaksi on mainittu kymmenen vuotta. Suomessa vastaavaa lainsäädäntöä ei ole, eikä ainakaan vielä ole sellaista tulossa. (Berninger et al ) 1.1 Työn tavoite Työn tavoitteena on esittää yhdyskuntalietteen käsittelyn tämänhetkistä tilannetta Suomessa, lietteen vaihtoehtoista käsittelyä ja lopullista hyötykäyttöä. Työn pääpainona on esitellä lietteen kompostointi ja lietteen poltto. Työssä selitetään myös yhdyskuntalietteen ominaisuuksia. Tarkemmin käydään läpi lietteen sisältämiä haittaaineita. Haitta-aineilla on merkitystä lietteen hyötykäytön suunnittelussa. Työssä myös mainitaan joitain tapoja minimoida näiden haitta-aineiden ympäristövaikutuksia.

6 6 Työssä keskitytään pääasiassa Suomen tilanteeseen. Joidenkin muiden maiden tilanteita mainitaan. Muista maista on saatavilla enemmän tutkimusta yhdyskuntalietteen polton vaikutuksista. Esimerkiksi muualla Euroopassa ja Japanissa väestöntiheys on paljon suurempi kuin Suomessa. Siten tiheissä väestökeskittymissä yhdyskuntalietteen määrä on aiheuttanut ongelmia. Koska kaupungistuminen on nykyajan trendi, Suomessakin väestömäärä kaupunkien sisällä tulee kasvamaan. Jotta yhdyskuntalietteen prosessoimisesta ei tulisi ongelmaa tulevaisuudessa, pitää Suomenkin tutkia aihetta. Työssä pyritään löytämään paras tapa käsitellä yhdyskuntalietettä. 1.2 Työn rakenne ja -rajaukset Kappaleessa 2 esitetään joitain yhdyskuntalietteen ominaisuuksia. Kappaleessa keskitytään energiantuotannon ja ympäristönsuojelun näkökulmiin. Kappaleessa myös verrataan eri tavalla käsiteltyjen yhdyskuntalietteiden koostumuksia ja lämpöarvoja. Tämä tehdään kuitenkin rajoitetusti. Yhdyskuntalietteessä on paljon haitta-aineita, kuten raskasmetalleja, haitallisia kemikaaleja, antibiootteja, lääkeaineita ja patogeeneja. Kompostointi tai anaerobinen mädätys eivät poista haitallisia yhdisteitä. Lietteellä on korkea kosteus- ja tuhkapitoisuus. Nämä vaikuttavat yhdyskuntalietteen poltettavuuteen. Kappaleessa 3 esitetään yhdyskuntalietteen esikäsittelyä. Liete pitää tiivistää ja stabiloida. Tiivistämisessä lietteen kuiva-ainepitoisuutta nostetaan ja vettä poistetaan. Kappaleessa selitetään tarkemmin kaksi eri tiivistysmenetelmää. Stabiloinnin tarkoitus on saattaa liete tilaan, jossa se on turvallista kuljettaa, varastoida ja käsitellä. Kappaleessa selitetään tarkemmin kolme eri stabilointimenetelmää. Selitettävät menetelmät rajataan kalkkistabilointiin, anaerobiseen mädätykseen ja kompostointiin. Kappaleessa selitetään myös menetelmien soveltuvuus energiantuotantoon. Tekniikkoja käyttävät esimerkkilaitokset mainitaan. Kappaleessa 4 kerrotaan yhdyskuntalietteen kuivaamisesta. Yhdyskuntalietteen kosteuspitoisuus on suuri. Kuivauksen jälkeen lietettä on helpompi jatkojalostaa. On olemassa mekaanisia-, termisiä- ja biokuivaimia. Kappaleessa selitetään tarkemmin mekaaninen ja terminen kuivaus. Mekaanisilla kuivaimilla päästään eroon vapaasta vedestä ja adheesio- ja kapillaarivedestä. Kuivaustulosta voidaan parantaa kemikaaleilla. Terminen kuivaus haihduttaa vettä lämmöllä. Termisesti voi poistaa myös solunsisäistä

7 7 vettä. Biokuivaus rajataan aiheen ulkopuolelle. Kappaleessa selitetään tarkemmin linkokuivain, suotonauhapuristin ja leijupetikuivain. Kappaleessa 5 kuvaillaan yhdyskuntalietteen poltto-ominaisuuksia, -tapoja, polton ympäristövaikutuksia ja tuhkan ominaisuuksia sekä hyötykäyttöä. Yhdyskuntalietettä voi polttaa yksinään tai seospoltossa. Yhdyskuntaliete tekee kattilasta jätteenpolttokattilan. Näin kattilaan sovelletaan tiukempia päästörajoja. Kappaleessa kuvataan tarkemmin PAKU-laitosta yhdyskuntalietteen polttotapana. PAKU-laitos on yksinkertainen lämpöä ja sähköä tai jompaakumpaa tuottava voimalaitos. Siinä osa tai kaikki lämmöstä käytetään lietteen termiseen kuivaamiseen ennen polttoa. Esimerkiksi vain sähköä tuottavan voimalaitoksen lauhdutin on integroitu kuivattamaan lietteen polttovalmiiksi. Kappaleessa käydään läpi polton päästöjä. Savukaasupäästöjä tarkastellaan vain lyhyesti. Tuhkan koostumusta, -muodostumista ja hyötykäyttöä käydään läpi tarkemmin. Poltossa yhdyskuntalietteen raskasmetallit ja fosfori rikastuvat prosessin tuhkaan.

8 8 2 YHDYSKUNTALIETE YLEISESTI Tässä kappaleessa käydään läpi yhdyskuntalietteen ominaisuuksia, sen sisältämiä haittaaineita, -koostumusta sekä sen käyttöä energiantuotannossa. Joitakin ominaisuuksia rajataan aiheen ulkopuolelle. Yhdyskuntaliete on yhdyskunnan vedenpuhdistamoille kulkeutunutta ainesta. Tämä muodostuu esimerkiksi kotitalouksien jätevesistä ja muusta viemäriverkostoon päätyvästä jätevedestä, kuten teollisuuden jätevesistä ja hulevesistä. Kotitalouksissa jätevettä ohjataan viemäriverkostoon esimerkiksi vessoista, suihkuista, lavuaareista, pyykinpesukoneista ja tiskikoneista. Jätevedenpuhdistamoilla tämä vesi puhdistetaan ja kiintoaine sakeutetaan lietteeksi. Jätevedenpuhdistamoilla vesi pyritään puhdistamaan ja siitä tullut liete käyttämään hyödyksi jossain muualla. Lietteen käyttötarkoitusta päätettäessä täytyy pitää silmällä sen koostumusta. Lietteen koostumus ei ole vakio vaan riippuu vedenpuhdistamolle menevän jäteveden koostumuksesta. Tiettyjen aineiden, kuten raskasmetallien ja lääkeaineiden, pitoisuudet vaikuttavat lietteen loppukäyttöön. 2.1 Yhdyskuntalietteen sisältämiä haitta-aineita ja muita ominaisuuksia Tässä kappaleessa käydään läpi erilaisia yhdyskuntalietteen sisältämiä haitta-aineita ja sen muita ominaisuuksia. Haitta-aineiden aiheuttamia ongelmia ja kulkeutumista luonnossa käydään läpi. Selitetyt haitta-aineet rajoittuvat lääkeaineisiin, patogeeneihin, fluorattuihin yhdisteisiin, antibiootteihin ja mikromuoviin. Raskasmetallien vaikutukset ja kulkeutuminen mainitaan seuraavassa kappaleessa. Yhdyskuntalietteet ovat ravinnepitoisia lietteitä. Niissä on suoraan vedenpuhdistamolta tullessa paljon vettä. Niissä esiintyy erilaisia haitta-aineita, kuten lääkeaineita, raskasmetalleja ja teollisuudessa käytettäviä yhdisteitä. Lietteessä on myös patogeeneja. Viherrakentamisessa haitta-aineet voivat aiheuttaa ongelmia esimerkiksi rikastumalla syötäviin kasveihin ja eläimiin sekä kulkeutumalla vesistöihin ja pohjavesiin. Lietteen käytössä on rajoituksia lannoitekäytössä. (Fjäder )

9 9 Lietteessä olevat lääkeaineet aiheuttavat ongelmia loppukäytössä. Esimerkiksi Suomen pääkaupunkiseudun alueella on paljon sairaaloita ja vanhainkoteja. Tällöin lääkeaineita kulkeutuu paikallisille jätevedenpuhdistamoille ja niiden puhdistusprosessit kuormittuvat. Muutenkin yksityishenkilöiden käyttämät lääkkeet päätyvät vedenpuhdistamoille ihmisten läpi joko muuntuneina yhdisteinä tai alkuperäisessä muodossaan. Muuntuneetkin lääkeaineet voivat muuntua takaisin alkuperäisiksi lääkeaineiksi esimerkiksi puhdistamoilla tai vasta ympäristössä. Näin niiden todellisia pitoisuuksia on hankala todentaa. Vedenpuhdistuslaitoksessa lääkeaineet menevät joko veden mukana tai sitoutuvat lietteeseen. Pääkaupunkiseudun Viikinmäen ja Suomenojan lietteet menevät Metsäpirtin kompostikentille. Kompostikentiltä komposti päätyy maatalouteen, viherrakentamiseen ja yksityiseen käyttöön. Lääkeaineista esimerkiksi ibuprofeeni ja diklofenaakin suotuu maakerrosten läpi pohjaveteen. (Fjäder , 22-23, 43, 52.) Lääkeaineiden kertymistä luontoon pitää tutkia lisää. Lääkeaineiden kertymisen seurauksista luonnolle tiedetään vähän. Yhdyskuntaliete sisältää antibiootteja samasta syystä kuin muitakin lääkeaineita. Antibiootit pysyvät Suomen Ympäristökeskuksen kenttätutkimuksen mukaan pitkään yhdyskuntalietekompostilla lannoitetussa maaperässä. Tutkimuksessa tämä ominaisuus pysyi etenkin, mikäli antibioottiresistenttejä bakteerikantoja maaperässä ei ollut. Tutkimuksen mukaan antibioottien vaikutusta maaperään ei siis voi sulkea pois. (Fjäder , 54.) Antibioottien vaikutuksesta maaperän eliöihin ja bakteerikantoihin tarvitaan lisää. Antibioottiresistenttisiä bakteerikantoja kehittyy koko ajan lisää. Miten antibioottien määrä maaperässä vaikuttaa asiaan, ei tiedetä. Yhdyskuntalietteeseen kulkeutuu erilaisia kemikaaleja, kuten fluorattuja yhdisteitä. Kompostoitaessa nämä yhdisteet näyttävät säilyvän tuhoutumatta. PFAS-yhdisteitä voi löytää palonestoaineista ja elektroniikasta. Niitä käytetään hyvien vettä-, likaa- ja rasvaa hylkivien ominaisuuksiensa vuoksi. Näitä sisältäviä tuotteita pestessä PFAS-yhdisteitä saattaa irtaantua ja kulkeutua vedenpuhdistuslaitokselle ja sieltä lietteeseen ja eteenpäin kompostituotteeseen. PFAS-yhdisteet kulkeutuvat maaperässä ja saattavat päätyä pohjaveteen. Orgaaninen aines vaikuttaa pidättävän yhdisteiden kulkua. Suuremmat molekyyliketjut kulkevat alaspäin hitaammin kuin pienemmät. Näin ollen suuremmat yhdisteet todennäköisemmin löytyvät suurempina pitoisuuksina lähempää maan pintaa.

10 10 PFAS-yhdisteet myös rikastuvat ravintoketjussa, kun kompostituotetta käytetään paljon tai usein. Eliöissä PFAS-yhdisteet kertyvät eniten elimistöä puhdistaviin elimiin, kuten maksaan ja munuaisiin. PFAS-yhdisteet eivät poistu helposti virtsan tai ulosteen mukana. Ihmiselle PFAS-yhdisteet ovat haitallisia ja suuremmissa pitoisuuksissa voivat aiheuttaa maksasairauksia, heikentynyttä immuunipuolustusta sekä kehityksen ja lisääntymisen häiriöitä. (THL 2017 & Fjäder ) Miten PFAS-yhdisteet käyttäytyvät polttoprosessissa, pitäisi tutkia enemmän. Oletettavasti yhdisteet hajoavat tai muuntuvat muiksi tuotteiksi. Yhdyskuntalietteen mukana kulkeutuu mikromuovia (Fjäder ). Sitä tulee esimerkiksi kosmetiikasta ja joidenkin tekstiilien pesusta, kuten polyesteri- ja akryylikankaista. Yhdyskuntalietteen poltossa, kuten PAKU polttolaitoksessa, mikromuovi palaa pois (ENDEV 2017a.) Kompostoinnissa mikromuovi jää tuotteeseen ja sitä kautta maaperään. 2.2 Yhdyskuntalietteen koostumus Tässä kappaleessa käydään läpi yhdyskuntalietteen koostumusta. Kappaleessa keskitytään lietteen poltto-ominaisuuksiin. Muut ominaisuudet rajataan pääosin aiheen ulkopuolelle. Kappaleessa on myös otettu käsiteltäväksi eri tavalla käsiteltyjä yhdyskuntalietteitä. Näitä lietteitä verrataan toisiinsa. Lietteiden vertailua tehdään kuitenkin rajoitetusti. Yhdyskuntaliete ei ole koostumukseltaan vakio. Sen koostumus muuttuu vedenpuhdistamolle tulevan kiintoaineen mukaan. Vedenpuhdistamon päätavoite on puhdistaa vettä. Näin haitta-aineet pyritään siirtämään vedestä lietteeseen. Kuivaamattoman yhdyskuntalietteen kuiva-ainepitoisuus on matala. Raakayhdyskuntaliete sisältää vain 3-5 % kuiva-ainetta (Lohiniva et al. 2001, 17-18). Yhdyskuntaliete kuivataan erilaisilla kuivausmekanismeilla ennen kuin se voidaan ohjata hyötykäyttöön. Varsinkin poltossa lietteen kosteuspitoisuus alentaa siitä saatavaa energiaa.

11 11 Yhdyskuntalietteessä on erilaisia raskasmetalleja, jotka aiheuttavat hankaluuksia polttoprosessissa ja tuhkan jatkokäytössä. Näiden vaikutuksia käydään läpi myöhemmissä kappaleissa. Raskasmetallit rikastuvat tuhkaan. Taulukko 1 sisältää tietoa yhdyskuntalietteen koostumuksesta. Tieto käsittelemättömän yhdyskuntalietteen sarakkeeseen on otettu kirjasta Fuel Handbook liitteestä B18. Tieto on alun perin lähtöisin ruotsalaisesta tutkimuksesta, jonka tilasi muun muassa TPS Branschforskningsprogram för Energiverk ja Värmeforsk. Tiedot on otettu sarakkeesta mean. (Strömberg 2006, 4 & liite B.18.) Taulukon tiedot granulaatille, termisesti kuivatulle ja kuivattu polttoa varten on otettu Phyllis2 tietokannasta. Granulaatin tunnistusnumero tietokannassa on #941. Sitä on testattu ECN:än CFB kaasutuslaitoksessa seospolttoaineena purkupuun kanssa Alankomaissa. Termisesti kuivatun tunnistenumero on #2192. Se on termisesti kuivattua yhdyskuntalietettä, joka on tarkoitettu seospolttoon maakaasun kanssa Alankomaissa. Kuivattu polttoa varten tiedot on niin ikään Phyllis2 tietokannasta. Sen tunnistenumero on #2188. Materiaali on yhdyskuntalietettä, jota poltetaan PF kattilassa UNA Amsterdamissa. (Phyllis2.)

12 Taulukko 1 Yhdyskuntalietteen koostumuksia eri lähteistä (Phyllis2, Strömberg 2006, liiteb18) Käsittelemätön (vedenpoisto suoritettu) Granulaatti (Phyllis2 ID #941) Termisesti kuivattu (Phyllis2 ID #2192) 12 Kuivattu polttoa varten (Phyllis2 ID #2188) Yksikkö Ominaisuus Kosteus [%wt] 73,9 10, ,8 Tuhkapitoisuus [%wtdry] ,3 Volatile [%wtdaf] 88 82, LHV [MJ/kgdaf] 20,7 21,54 22,31 21,82 Alkuaineanalyysi C [%daf] 52,25 52,2 49,6 52,64 H [%daf] 7,35 7,27 8,93 8,86 O [%daf] 31,3 30,68 26,95 28,27 S [%daf] 2,05 2,61 2,78 3,01 N [%daf] 6,8 7,06 8,93 6,91 Hivenaineet Cl [mg/kgdaf] 0,12 %daf , F [mg/kgdry] - 281, ,7 Al [mg/kgdry] 51443ash K [mg/kgdry] 4035ash Na [mg/kgdry] 4658ash Ca [mg/kgdry] 53557ash Si [mg/kgdry] 87708ash Mg [mg/kgdry] 10705ash Fe [mg/kgdry] ash P [mg/kgdry] 64367ash Ti [mg/kgdry] 2923ash As [mg/kgdry] 16ash 5, Cd [mg/kgdry] 3,2ash 1,4 20 2,9 Co [mg/kgdry] 18ash 6, Cr [mg/kgdry] 79ash Mn [mg/kgdry] 1000ash Ni [mg/kgdry] 56ash Pb [mg/kgdry] 100ash V [mg/kgdry] 39ash Zn [mg/kgdry] 1560ash Ba [mg/kgdry] 1000ash Mo [mg/kgdry] 12,1ash 6, Hg [mg/kgdry] 3,47ash 2,3-3 Sn [mg/kgdry] Sr [mg/kgdry]

13 13 Taulukko 1 näyttää minkälaisia koostumuksia yhdyskuntalietteellä voi olla. Kaikista neljästä lähteestä ei ollut saatavilla kaikkia tietoja verrattavissa muodoissa. Tiedot on saatettu mitata tai laskea eri tavalla. Joistain yhdyskuntalietteistä ei ole joko mitattu tiettyjä aineita tai päästy niissä yli määritysrajan. Taulukko 1 kuitenkin näyttää suurin piirtein, mitä yhdyskuntalietteessä voi olla eri tavalla käsiteltynä ja eri paikoista otettuina. Käsittelemättömän yhdyskuntalietteen osa alkuainepitoisuuksista on otettu tuhkaanalyysista. Taulukon 1 C-, H-, O-, S- ja N-pitoisuudet vaikuttavat olevan lähellä toisiaan. Niiden teholliset lämpöarvotkin vaikuttavat olevan lähellä toisiaan noin MJ/kgdaf. Taulukon 1 mukaan yhdyskuntalietteen rikkipitoisuus on noin 2-3 %daf. Yhdyskuntalietteen rikkipitoisuus on suhteellisen korkea. Tämä pitää ottaa huomioon polton savukaasunpuhdistuslaitteistoa valitessa. Vertauksena puun rikkipitoisuus on noin 0,03 %daf (Strömberg 2006, liite B.1). 2.3 Yhdyskuntalietteen käyttö energiantuotannossa Tässä kappaleessa mainitaan, miten yhdyskuntalietettä voi käyttää energiantuotannossa. Kappaleessa lasketaan taulukon 1 tehollinen lämpöarvo lietteen tulotilaan. Näin tarkastellaan lietteen tuhkapitoisuuden ja kosteuspitoisuuden vaikutusta lietteen lämpöarvoon. Kappaleessa mietitään myös lietteen nykykäyttöä energiantuotannon kannalta. Yhdyskuntalietteen käyttö energiantuotannossa kilpailee viherrakentamisen ja lannoitteena käytön kanssa. Suomessa lietettä käytetään pääasiassa muihin tarkoituksiin kuin polttoon (Koskinen ). Energiantuotannossa lietteestä voi tehdä biokaasua, sen voi polttaa tai tuottaa biokaasua ja sen jälkeen polttaa sen hydrolyysijäännös. Hydrolyysijäännöksen poltto ei ole tehokasta, koska osa lämpöarvosta menee biokaasuun. Varsinkin Suomen suurimmissa vedenpuhdistuslaitoksissa usein tuotetaan biokaasua, joka käytetään laitoksen energiantuotantoon. Näin tehdään esimerkiksi Helsingin Viikinmäen jätevedenpuhdistamolla (HSY 2017). Maailman suurissa laitoksissa lietteet usein poltetaan, koska niiden määrät ovat niin suuria. Esimerkiksi Zürich:issa on yhdyskuntalietteen polttolaitos, joka polttaa yli 70 jätevedenpuhdistuslaitoksen lietteet (Outotec 2016, 1).

14 14 Taulukossa 1 on vertailtavana eri tavalla muokattuja lietteitä. Niiden tehollinen lämpöarvo (LHV) on annettu tuhkattomana ja kuivana, jotta niitä voisi vertailla keskenään. Kuitenkin tällä tavalla ilmaistuna ei oteta huomioon niiden vesi- tai tuhkapitoisuutta. Tuhkapitoisuus pienentää lämpöarvoa, koska kuivatussa ja tuhkattomassa lämpöarvossa kaikki aines palaa. Todellisessa polttoaineessa on myös palamatonta ainesta, joka poistuu tuhkana. Sama toimii polttoaineen vesipitoisuudellekin. Polttoaineen veden höyrystäminen jopa vie energiaa polttoprosessissa. Seuraavissa yhtälöissä lasketaan lietteiden teholliset lämpöarvot niiden tulotilassa. Lietteen kuivasta ja tuhkattomasta lämpöarvosta (LHVdaf) saadaan kuiva lämpöarvo (LHVdry), kun lisätään LHVdaf:iin taulukon 1 mukainen tuhkan osuus. LHVdry lasketaan yhtälöllä LHV dry = LHV daf (1 w ash ) (1) missä LHVdry on kuiva tehollinen lämpöarvo LHVdaf on kuiva ja tuhkaton tehollinen lämpöarvo [MJ/kg] [MJ/kg] wash on tuhkan massaosuus [-] Yhtälöön (1) LHVdaf saadaan taulukosta 1 kohdasta LHV ja wash kohdasta tuhkapitoisuus. Tuhkapitoisuus pitää muuttaa pois prosenttiyksiköistä w = prosenttipitoisuus 0,01 (2) missä w on pitoisuus [-] prosenttipitoisuus on aineen pitoisuus prosentteina [%] Yhdistämällä yhtälöt (1) ja (2) saadaan taulukon 1 käsittelemättömälle yhdyskuntalietteelle LHV dry = 20,7 MJ kg (1 0,43) = 11,79 MJ kg. Yhtälöiden (1) ja (2) mukaan lasketaan LHVdry myös granulaatille, termisesti kuivatulle ja kuivattu polttoa varten. Nämä tulokset laitetaan taulukkoon 2.

15 LHVar saadaan LHVdry:stä, kun LHVdry:hen lisätään taulukon 1 mukainen veden osuus ja veden osuuden haihduttamisen vaatima lämpö lämpötilassa 25 o C. Näin saadaan yhtälö 15 LHV ar = LHV dry (1 w H2 O) l w H2 O. (3) missä LHVar on tehollinen lämpöarvo [MJ/kg] wh2o on polttoaineen kosteuspitoisuus [-] l on veden latentti lämpö [MJ/kg] Yhtälön (3) kosteuspitoisuus saadaan taulukosta 1 kohdasta kosteus. Kosteuspitoisuus muutetaan yhtälöllä (2) toivottavaan muotoon. Veden latentiksi lämmöksi valitaan 2,441 MJ/kg lämpötilan 25 o C mukaan. Yhtälöllä (2) ja (3) saadaan käsittelemättömälle yhdyskuntalietteelle tehollinen lämpöarvo tulotilassa LHV ar = 11,79 MJ kg (1 0,739) 2,441 MJ kg 0,739 = 1,28 MJ kg. Yhtälöiden (2) ja (3) mukaiset laskut tehdään myös muille yhdyskuntalietteiden koostumuksille ja laitetaan taulukkoon 2. Taulukko 2. Yhdyskuntalietteen tehollinen lämpöarvo kuivana ja tuhkattomana, kuivana sekä tulotilassa Yhdyskuntaliete LHVdaf LHVdry LHVar* Käsittelemätön 20,7 11,79 1,28 Granulaatti 21,54 13,79 12,07 Termisesti kuivattu 22,31 12,49 11,00 Kuivattu polttoa varten 21,82 14,12 11,20 *Latentti lämpö on 2,441 MJ/kg lämpötilassa 25 o C Taulukko 2 ilmaisee lietteen tehollisen lämpöarvon myös kuivana (LHVdry) ja lietteen tulotilassa (LHVar). Arvojen muutoksesta huomataan, että tuhkan ja veden osuudet polttoaineessa tekevät tehollisesta lämpöarvosta pienemmän. Lietteiden LHVar:llä voidaan verrata esimerkiksi eri kuivaustapojen vaikutusta teholliseen lämpöarvoon. Näin tiedetään, että käsittelemätön liete ei sovellu polttoon, koska sen tehollinen lämpöarvo on niin alhainen. Mitä suurempi polttoaineiden LHVar on, sitä enemmän siitä saadaan energiaa poltossa. Muiden kuin käsittelemättömän yhdyskuntalietteen LHVar on polttoon sopiva.

16 16 3 YHDYSKUNTALIETTEEN ESIKÄSITTELY Tässä kappaleessa käydään läpi yhdyskuntalietteen esikäsittelyä sen tiivistyksen ja stabiloinnin näkökulmasta. Stabiloinnissa otetaan huomioon lietteen käyttö energiantuotannossa ja eri menetelmien ympäristövaikutukset. Stabilointimenetelmistä pyritään antamaan esimerkkilaitos Suomesta. Kappaleessa keskitytään Suomen olosuhteisiin. Kappaleessa ei pääosin oteta huomioon taloudellista näkökulmaa. Yhdyskuntaliete pitää esikäsitellä, jotta se saadaan helpommin hyödynnettävään muotoon. Esikäsittelyyn kuuluu tiivistys, stabilointi ja kunnostus. (Lohiniva et al. 2001, 38.) Kunnostus tapahtuu pääosin eri vaiheissa. Sen tarkoituksena on parantaa lietteen laadun yhtenäisyyttä ja parantaa sen vedenpoisto-ominaisuuksia. Kunnostuskemikaalit tulee valita siten, että ne eivät aiheuta ongelmia muissa prosesseissa, kuten poltossa tai kompostoinnissa. (Lohiniva et al. 2001, ) Kunnostus rajataan pääosin aiheen ulkopuolelle. 3.1 Lietteen tiivistys Tiivistyksen tarkoituksena on nostaa lietteen kuiva-ainepitoisuutta noin 4 5 %:iin. Tiivistykseen voi käyttää gravitaatio-, flotaatiotiivistystä, suodatinrumpua tai kaariseulaa. (Lohiniva et al. 2001, 38.) Tässä kappaleessa selitetään tarkemmin laskeutustiivistys ja flotaatiotiivistys. Mekaaniset vedenpoistomenetelmät ovat osittain samoja kuin mekaaniset kuivausmenetelmät. Niitä ei selitetä tarkemmin tässä kappaleessa Lietteen laskeutustiivistys eli gravitaatiotiivistys Lietteen laskeutustiivistyksessä kuiva-ainepitoisuudeksi saadaan noin 2,5 10 %. Se perustuu painovoimaan. Vettä painavammat lietepartikkelit vajoavat pohjaan. Noin 6 12 tunnin kuluttua pohjalta pumpataan sinne vajonnut liete. Tämä vaihe ei saa kestää 12 tuntia pidempään, koska muuten orgaaniset aineet alkavat mädäntyä. Mädäntyminen pienentää lietteen lämpöarvoa. Tämän takia polttoon tähtäävän laitoksen ei kannata mädättää lietettä. (Lohiniva et al. 2001, ) Laskeutustiivistys on hidasta ja vaatii paljon tilaa. Siitä aiheutuu myös paljon hajuhaittoja. Siitä saadaan kuitenkin suuri kuiva-ainepitoisuus, sen prosessi on

17 17 helppohoitoinen ja sillä on pienet käyttökustannukset. Laskeutustiivistys soveltuu hyvin eri lietetyypeille. (Lohiniva et al. 2001, ) Lappeenrannan vanhan vedenpuhdistuslaitoksen Toikansuolla korvaa uusi laitos Hyväristönmäellä. Uudella laitoksella käytetään tiivistykseen gravitaatiosakeutusta. Tällä päästään noin 4 8 %ka. Tiivistyksestä liete johdetaan linkokuivaukseen. (Aluehallintovirasto , 12.) Lingosta selitetään enemmän myöhemmässä kappaleessa Lietteen flotaatiotiivistys Flotaatiotiivistyksessä kuiva-ainepitoisuudeksi saadaan noin 1 5 %. Se soveltuu parhaiten kevyille lietepartikkeleille. Flotaatiotiivistyksessä liotetaan paineenalaista ilmaa kierrätysveteen, joka johdetaan lietteeseen. Lietteessä paine laskee, jolloin paineistettu ilma vapautuu kuplina. Näihin kupliin tarttuu lietepartikkeleita, jotka kohoavat lietteen pinnalle. Tämän jälkeen päällä oleva liete kaavitaan lietekouruun. Flotaatiotiivistyksessä voi käyttää tehosteena polyelektrolyyttejä. (Lohiniva et al. 2001, 39.) Flotaatiotiivistys on laskeutustiivistystä kalliimpi ja nopeampi tekniikka. Sillä on pienemmät hajuhaitat ja siitä saadaan pienempi kuiva-ainepitoisuus. Flotaatiotiivistys ei kuitenkaan vaadi paljon tilaa. (Lohiniva et al. 2001, 39.) 3.2 Lietteen stabilointi Lietteen stabilointi on prosessi, jossa liete saatetaan turvalliseen tilaan. Tässä tilassa se voidaan turvallisesti kuljettaa, varastoida tai saattaa lopulliseen sijoituspaikkaan. Koska lietteessä on paljon orgaanista materiaalia, sen biologinen toiminta pitää keskeyttää. Tämä tapahtuu stabiloinnissa. Stabilointimenetelmä määräytyy pitkälti lietteen laadun ja sen lopullisen käyttötarkoituksen mukaan. Stabilointimenetelmiä on kalkkistabilointi, anaerobinen mädätys, kompostointi ja lämpökäsittely. Stabiloinnilla pyritään noin 20 %ka, joka pysäyttää orgaanisen aineksen hajoamisen. Stabilointi voidaan tehdä ennen kuivausta, sen yhteydessä tai sen jälkeen. (Lohiniva et al )

18 Kalkkistabilointi Kaikki biologinen toiminta pysähtyy, kun ph nousee yli 11. Näin terveyshaittoja aiheuttavat patogeenit, kuten virukset ja bakteerit kuolevat. Näin korkea ph voidaan saavuttaa lisäämällä lietteeseen sammutettua kalkkia. Tämä tulee kuitenkin kalliiksi kemikaalikustannusten takia. Tämän takia sitä käytetäänkin yleensä vain pienissä vedenpuhdistuslaitoksissa. (Lohiniva et al ) Kalkkistabiloinnissa käytettävä kalkki jää lietteeseen. Tämä muuttaa lietteen laatua. (Lohiniva et al ) Kalkki voi parantaa lietteen poltto-ominaisuuksia. Jos polttoaineessa on korkea rikkipitoisuus, kalkki vähentää rikkipäästöjä ilmaan. Joihinkin kattiloihin lisätään kalkkia pienentämään rikkipäästöjä. Kalsiumin ylimäärä voi kuitenkin aiheuttaa lasin muodostumista tuhkaan pienemmissä lämpötiloissa (Strömberg ). Yhdyskuntalietteen rikkipitoisuus on suhteellisen korkea. Näin kalkkistabilointi on hyvä stabilointimenetelmä. Jos kattilaan menee liikaa kalkkia polttoaineen mukana, kalkki muodostaa alkaliyhdisteitä. Nämä muodostavat kerrostumia kattilaan ja tulistinpinnoille. Kalkkia kulkeutuu myös tuhkan mukana pois prosessista Anaerobinen mädätys Anaerobisessa mädätyksessä tarkoituksena on hajottaa lietteen orgaaninen aines metaaniksi (CH4), hiilidioksidiksi (CO2) ja hydrolyysijäännökseksi (Lohiniva et al ). Metaani otetaan talteen ja poltetaan biokaasuna joko vedenpuhdistuslaitoksella tai jonkin muun laitoksen alueella. Suurin osa vedenpuhdistamon tarvitsemasta energiasta voikin tulla lietteen mädätyksestä saatavasta energiasta. Esimerkiksi Helsingin Viikinmäen jätevedenpuhdistamo tuottaa biokaasua niin paljon, että se voi tuottaa siitä kaiken tarvitsemansa lämmön ja noin 70 % tarvitsemastaan sähköstä. (HSY 2017.) Mädätyksessä metaani otetaan talteen, jolloin suuri osa lietteen lämpöarvosta menee biokaasun mukana. Näin tämä stabilointimenetelmä alentaa lietteen tehollista lämpöarvoa. Mädätettyä lietettä ei ole järkevä polttaa, vaan käyttää esimerkiksi viherrakentamiseen. (Lohiniva et al ) Näin toimitaankin Viikinmäen vedenpuhdistamolla. Mädätetty liete jalostetaan multatuotteiksi, joita käytetään viherrakentamisessa. (HSY 2017.)

19 19 Mädätyksessä ongelmana on kemikaalien ja useiden lääkeaineiden pitoisuuksien kasvu mädätyksen aikana. Tämä saattaa johtua siitä, että muuntotuotteet muuntuvat takaisin alkuperäiseksi lääkeaineeksi. (Fjäder ) Raskasmetallit tulevat myös hydrolyysijäännöksen mukana. Tämän takia lopullista tuotetta ei tulevaisuudessa voi käyttää lannoitteena eikä välttämättä edes rakennusmateriaalina. Aikaisemmassa kappaleessa on mainittu muutamia esimerkkejä haitta-aineista yhdyskuntalietteessä ja niiden aiheuttamista haasteista Kompostointi Kompostointi tapahtuu aerobisena mädätyksenä. Siinä päämääränä on tuottaa multaa lannoitteeksi muun muassa pelloille ja metsiin sekä viherrakentamisen. Näin saadaan ravinteita kiertoon ja käytetään vähemmän keinolannoitteita. (Lohiniva et al ) Kompostointi ei sovellu lietteen polttamiseen, koska kuiva-aine menee muuhun käyttöön. Kompostoinnissa hajotetaan bakteerien avulla lietteen orgaaninen hiili-, vety- ja happisisältöiset yhdisteet hiilidioksidiksi, vedeksi ja stabiiliksi humukseksi. Hajoamisen aikana vapautunut lämpö ohjataan hajoamisprosessin ylläpitoon. Orgaanisia yhdisteitä muutetaan kasveille käyttökelpoiseen muotoon esimerkiksi nitraatiksi ja sulfaatiksi. (Lohiniva et al , ) Kompostoinnissa multatuotteeseen jää yhdyskuntalietteissä olevat haitalliset aineet. Kuten aikaisemmin on kerrottu, valmiiseen tuotteeseen jää raskasmetalleja, haitallisia kemikaaleja, -lääkeaineita ja mahdollisia patogeeneja. Aikaisemmassa kappaleessa on myös selitetty niiden haitallisia vaikutuksia ympäristöön. Lietteiden käyttöä lannoitustuotantoon ollaankin kieltämässä EU:n tasolla (Berninger et al ). Euroopan komission asetusehdotuksessa mainitaan yhdyskuntalietteen käyttö lannoitetuotannon raaka-aineena, mikäli tietyt raja-arvot haitta-aineiden konsentraatioissa saavutetaan. Näihin lukeutuu aikaisemmin mainitut haitta-aineet. Vaadittujen raja-arvojen saavuttaminen vaatii uusien tekniikoiden kehittämistä ja käyttöönottoa. (Berninger et al )

20 20 Etelä-Karjalan Toikansuon vedenpuhdistamo kompostoi sen lietteet. Liete kuljetetaan Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy:n Kukkuroinmäen kompostointialueelle. Samaan paikkaan menee myös lähialueiden pienemmiltä puhdistamoilta tullut liete Nuijamaalta, Ylämaalta ja Vainikkalasta. (Kaarlampi ) Kukkuroinmäen kompostialueella lietteeseen sekoitetaan myös kotitalousbiojätettä ja elintarviketeollisuuden biojätettä sekä tukiaineeksi puuhaketta ja turvetta. Kompostia käytetään muun muassa multana, maanparannusaineena ja maisemointiaineena. (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy 2018.) Tulevaisuudessa näin ei enää todennäköisesti pystytä tekemään lietteen haitta-aineiden takia. Lappeenrannan Lämpövoima Oy:n hakeman ympäristöluvan mukaan Toikansuon jätevedenpuhdistamo korvataan uudella jätevedenpuhdistamolla. Uusi laitos rakennetaan Lappeenrannan Hyväristönmäelle. Alussa uuden laitoksen liete kompostoidaan. Uuden laitoksen alueella on tilavaraus joko lietteen yhteismädätykselle biojätteen kanssa tai lietteen poltolle. (Aluehallintovirasto , 12.)

21 21 4 YHDYSKUNTALIETTEEN KUIVAUS Tässä kappaleessa selitetään yhdyskuntalietteen kuivausta. Kappaleessa selitetään kuivauksen tarpeet ja -tavat sekä kuivauksen soveltuvuus eri jatkojalostuskäyttöön. Kappaleessa käydään läpi mekaanista- ja termistä kuivausta. Kappaleessa keskitytään termiseen kuivaukseen. On olemassa myös biokuivaus, mutta se rajataan aiheen ulkopuolelle. Kappaleessa mainitaan kunkin mainitun kuivaustyypin esimerkkilaitos leijupetikuivainta lukuun ottamatta. Yhdyskuntaliete kuivataan yleensä jollain tapaa, koska kuivattua lietettä on helpompi käyttää ja jatkojalostaa. Kuivauksen tarkoitus on nostaa lietteen kuiva-ainepitoisuutta. Pienemmissä vedenpuhdistamoissa kuivaus ei ole kannattavaa kuljetuksen tai stabilointimenetelmän vaatiman kuivauksen jälkeen. Liete viedäänkin pakollisen kuivauksen ja stabiloinnin jälkeen suoraan jatkojalostukseen. Esimerkiksi Ylämaan jätevedenpuhdistamolla Etelä-Karjalassa liete kuljetetaan Kukkuroinmäelle kompostoitavaksi (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy 2018). Suuremmissa laitoksissa kuivaus tapahtuu ennen jatkokäsittelyä. Eri kuivaustavoilla saadaan eri tuloksia. Kuivaustavat erottavat eri tavalla sitoutunutta vettä. Erilaisia kuivaustapoja on esimerkiksi mekaaninen-, bio- ja terminen kuivaus. (Lohiniva et al , 58.) Tässä kappaleessa selitetään mekaaninen- ja terminen kuivaus. Biokuivaus rajataan tämän aiheen ulkopuolelle. Sopiva kuivaustapa valitaan lietteen laadun mukaan. Esimerkiksi sakeutuksella saadaan poistettua vapaata vettä, mekaanisella kuivauksella adheesio- ja kapillaarivettä ja kemiallisen kunnostuksen jälkeen mekaanisesti ja termisesti poistetaan absorptio- ja solunsisäistä vettä. Taulukko 3 kuvaa jätevesilietteeseen sitoutuneen veden osuuksia ja niiden kuivaustapoja. Yhdyskuntaliete on biolietettä ja siinä on paljon solunsisäistä nestettä. Yhdyskuntalietteen kuivaus on näin hankalampaa kuin paljon kuitua sisältävien lietteiden, kuten sellun tuotannosta ylijäävän mustalipeän. (Lohiniva et al ) Sellun tuotantolaitokset yleensä polttavat mustalipeän erillisessä kattilassa, joka tuottaa laitoksen tarvitsemaa energiaa.

22 22 Taulukko 3. Jätevesilietteen vesityyppien osuudet kokonaisvedestä ja niiden kuivaustapa. (Lohiniva et al ). Vesityypin Veden esiintymistapa osuus lietteen kokonaisvedestä Kuivaustapa Vapaa % Sakeutus Adheesio- ja kapillaari % Mekaaninen Absorptio- ja solunsisäinen noin 2 % Kemiallisen kunnostuksen jälkeen mekaanisesti tai termisesti 4.1 Mekaaninen kuivaus Mekaaninen kuivaus perustuu usein aineiden tiheyseroihin ja sen tarkoituksena on nostaa lietteen kuiva-ainepitoisuutta. Mekaaninen kuivaus voidaan tehdä esimerkiksi lingolla, suotonauhapuristimella, kammiopuristimella, ruuvipuristimella, imusuodattimella tai kiekkopuristimella. Sopivan kuivaimen valintaan vaikuttaa lietteen laatu ja määrä. Mekaanisista kuivaimista käytetään yhdyskuntalietteiden kuivaamisessa lähinnä linkoja ja suotonauhapuristimia. (Lohiniva et al ) Seuraavassa kappaleessa selitetään tarkemmin linkokuivaimesta ja suotonauhapuristimesta Linkokuivain Linkokuivain toimii keskipakovoiman avulla. Siinä on tietynlainen rumpu, joka pyörii. Kun liete laitetaan lingon sisälle, tiheämpi kuiva-aine päätyy rummun seinille ja vähemmän tiheä vesi ei. Kiintoaine sitten kuljetetaan esimerkiksi ruuvin avulla kartioon ja sieltä eteenpäin. Lingolla kuivausta tehostetaan yleensä polymeerilla. Yhdyskuntalietteille tämänkaltainen kuivain voi antaa noin % kuivaainepitoisuuden. Suuret kunnalliset vedenpuhdistamot käyttävät yleensä linkokuivainta vedenpoistoon. (Lohiniva et al ) Viikinmäen jätevedenpuhdistamo Helsingissä puhdistaa lähialueidensa jätevesiä. Se on Suomen suurin jätevesienpuhdistuslaitos. (HSY 2017.) Viikinmäen liete ensin mädätetään ja sen jälkeen kuivataan lingolla. Linkokuivauksessa käytetään polymeeria tehosteena. (HSY )

23 23 Lappeenrannan Toikansuon vedenpuhdistamo korvataan uudella laitoksella Hyväristönmäelle. Uudella laitoksella liete kuivataan tiivistyksen jälkeen lingolla. Kuivaainepitoisuudeksi saadaan %. Polymeeriliuosta käytetään kuivauksen apuna. Mekaanisen kuivauksen jälkeen liete viedään jatkojalostettavaksi. (Aluehallintovirasto , 12.) Suotonauhapuristin Suotonauhapuristin toimii painovoiman ja puristustelojen voimin. Siinä vapaata vettä valuu painovoiman vaikutuksesta pois lietteestä. Puristustelojen puristus- ja leikkausvoimat poistavat lietteeseen sitoutunutta vettä. Suotonauhapuristimia käytettäessä käytetään polymeereja kuivaustuloksen parantamiseksi. Yhdyskuntalietteille suotonauhapuristimet saavat %ka. Suotonauhapuristimia käytettäessä pitää kuivaimelle tulevan lietteen olla kosteuspitoisuudeltaan tietynlainen. Näin tulevaan lietteeseen lisätään jo kuivattua lietettä tai kuiviketta, kuten turvetta. Suotonauhapuristimella on pieni tehon tarve ja lyhyt kestoikä. Sitä käytetään yleensä pienissä tai keskisuurissa yhdyskuntajätevedenpuhdistuslaitoksissa. (Lohiniva et al. 2001, ) 4.2 Terminen kuivaus Tässä kappaleessa selitetään tarkemmin termistä kuivausta. Kappaleessa keskitytään lietteen polttoon tähtäävän termiseen kuivaukseen. Kappaleessa mainitaan eri termisiä kuivureita, mutta niitä ei tarkastella lähemmin. Termisen kuivauksen aiheuttamat kemialliset reaktiot lietteen sisällä rajataan aiheen ulkopuolelle. Termisessä kuivauksessa yhdyskuntaliete steriloituu (Lohiniva et al. 2001, 63). Leijupetikuivain selitetään tarkemmin. Termisessä kuivauksessa kuivaus tapahtuu lämmöllä. Näin voidaan rikkoa myös solurakenteita, mikä poistaa myös solunsisäistä vettä. Termisellä kuivauksella päästään jopa yli 90 % kuiva-ainepitoisuuteen. Jos termiseen kuivaukseen yhdistetään mekaaninen kuivaus, termisessä kuivauksessa ei tarvitse käyttää yhtä paljon lämpöenergiaa. Lämpöä voi myös hankkia hukkalämpölähteistä ja biokaasutuksesta. (Lohiniva et al, , )

24 24 Varsinkin ennen polttoa lietteen terminen kuivaus on järkevää, koska yhdyskuntalietteen kosteuspitoisuus on niin suuri. Liete aiheuttaa tietynlaisissa voimalaitoksissa hankaluuksia polttoprosessissa. Kostean lietteen vesi suurentaa savukaasuvirtaa, jolloin savukaasun puhdistuslaitteistot pitää mitoittaa suurille savukaasumäärille. Terminen kuivaus vähentää tätä ongelmaa, koska silloin polttoaineessa on vähemmän vettä. Lietteen tilavuus myös pienenee huomattavasti, jolloin kuljetuskustannuksista voimalaitokselle tai jatkojalostukseen tulee pienemmät. (Lohiniva et al. 2001,52, ) Jos termisesti kuivataan liete yli 90 %ka, liete on stabiili. Tämän voi viedä kompostiin tai polttaa. Kompostiin voi viedä jo 50 %ka, mutta siitä syntyy hajuhaittoja. Yli 85 %ka liete ei homehdu varastoitaessa. Poltettavaksi kelpaa myös %ka. (Lohiniva et al. 2001, 61.) Polttoon menevän lietteen kuiva-ainepitoisuuden vaatimus riippuu käytetystä kattilasta. Esimerkiksi kuplapetikattila (BFB) sietää korkeitakin kosteuspitoisuuksia ja niiden vaihtelevuutta. Termisestä kuivauksesta syntyy kaasu- ja pölyhaittoja. Lietteen sisältämä orgaaninen aines aiheuttaa hajuhaittoja höyrystyessään veden mukana. Nämä kaasut voi ensin lauhduttaa ja sitten polttaa. Tämä on kuitenkin teknisesti haastavaa. Lietteestä voi myös haihtua suurissa lämpötiloissa ammoniakkia (NH3) ja elohopeaa (Hg). Pölyhaittaa voi vähentää käyttämällä syklonia. (Lohiniva et al. 2001,52, ) Termiset kuivausmenetelmät perustuvat joko kontaktikuivaukseen tai konvektiokuivaukseen. Kontaktikuivauksessa lämpö siirretään lietteeseen välipinnan kautta. Välipinta kuumennetaan esimerkiksi höyryllä. Näin välipinnalla oleva liete kuivuu. Tässä kuivaustavassa ongelmana voi olla esimerkiksi lietteen epätasainen kuivuminen ja hygienisointi. Etuna kuivausmenetelmässä on poistettavan kaasun pieni määrä ja hyvä energiankäytön hyötysuhde. Kontaktikuivaimia on esimerkiksi kiekko- ja kierukkauuni sekä täytekappaleuuni. Konvektiokuivurissa lämpö siirretään suoraan esimerkiksi kuuman kaasuvirran avulla suoraan kontaktiin lietteen kanssa. Lietteen sisältämä vesi höyrystyy ja poistuu kaasuvirran mukana. Tässä voi käyttää esimerkiksi lietteen polton savukaasuja hyödyksi. Tällöin savukaasuvirta nousee. Mikäli kuivaus suoritetaan rakeistukseen asti, lieterakeet pitää erottaa kaasuvirrasta syklonilla. Konvektiokuivauksella on huonompi energiankäyttöhyötysuhde, suurempi poistoilman määrä, pölyn muodostus ja pölynräjähdysriski. Haittoja voi kuitenkin minimoida

25 25 teknisillä ratkaisuilla. Yksi on energian talteenoton järjestäminen. Menetelmässä käytetään rumpua tai kuivaushihnaa. (Lohiniva et al. 2001, 62.) Esimerkiksi Joensuun Kuhasalon jätevedenpuhdistamolla käytetään ensin mädätystä, sitten mekaanista kuivausta ja lopuksi termistä kuivausta. Lopulta kuivattu liete päätyy kompostiin ja sieltä hyötykäyttöön. (Joensuun vesi 2017.) Leijupetikuivain lietteelle Leijupetikuivaimessa yhdyskuntaliete kuivataan termisesti leijupedissä. Leijupetikuivaimen periaatekuva on kuvassa 1. Leijupetikuivain on konvektiokuivain. Se käyttää apunaan noin o C ilmaa. Ilma syötetään kuvan 1 mukaisesti pedin alta. Pedissä on lohkoja. Liete kulkeutuu niihin kosteutensa mukaan. Kuivaimesta pois tulee valmista granulaattia. Kuivausilma sisältää muun muassa lietteestä kuivattua vettä ja lietepölyä. Pöly erotetaan syklonissa tai kuitusuodattimessa. Kuivatusilma viedään lauhduttimen läpi. Näin erotetaan kaasut ja vesi. Kaasut poltetaan esimerkiksi kaasun tai öljyn avulla. Tällä lämmöllä lämmitetään kuivausilma. (Lohiniva et al. 2001, 66.) Kuva 1. Leijupetikuivain (Lohiniva et al. 2001, 66). Leijupetikuivaimesta saatava granulaatti sopii hyvin poltettavaksi. Sen kalorimetrinen lämpöarvo on noin 14 MJ/kg (Lohiniva et al. 2001, 66).

26 26 5 KUIVATUN YHDYSKUNTALIETTEEN POLTTO Tässä kappaleessa käydään läpi kuivatun yhdyskuntalietteen poltto-ominaisuuksia, eri polttotapoja sekä polton päästöjä. Polton päästöissä keskitytään polton tuhkaan ja sen hyötykäyttömahdollisuuksiin. Polton savukaasupäästöjen tarkastelu jätetään vähemmälle, koska ne ovat samantapaiset kuin muidenkin polttolaitosten ja ne voidaan minimoida oikeilla laitteistoilla. Kappaleessa käydään tarkemmin läpi PAKUlaitoskonseptia. Suomessa yhdyskuntalietettä ei juurikaan polteta, koska Suomessa ei ole suurta yhdyskuntalietetuotantoa. Muualla Euroopassa kuitenkin yhdyskuntalietteet aiheuttavat ongelmia suurissa kaupungeissa, joten siellä lietettä yleisemmin poltetaan. Esimerkki tästä on Outotecin toimittama yhdyskuntalietteenpolttolaitos Zürich:issa (Outotec 2016, 1.) Yhdyskuntalietteen poltto voi tapahtua erikseen tai seospoltossa. Lietteen poltto voidaan tehdä eri tavoilla. Kattilan ja laitoksen valinnat ovat tärkeitä. Yhdyskuntalietteen polttoominaisuudet riippuvat sen koostumuksesta ja kuiva-ainepitoisuudesta. Esimerkiksi yhdyskuntalietteen kosteuspitoisuus on suuri ja sen tehollinen lämpöarvo on pieni. Näitä voidaan parantaa erilaisilla kuivausmenetelmillä. Lietteen poltossa on paljon haittavaikutuksia sen laadun ja laadun vaihtelun takia. Tämän takia se yleensä poltetaan seospoltossa, jolloin se saa parempia poltto-ominaisuuksia. Seospoltossa pitää kuitenkin ottaa huomioon, että yhdyskuntaliete tekee kattilasta jätteenpolttokattilan, jolloin sille tulee tiukemmat päästörajoitukset. (Lohiniva et al , ) 5.1 Kuivatun yhdyskuntalietteen poltto-ominaisuudet Tässä kappaleessa käydään läpi kuivatun yhdyskuntalietteen ominaisuuksia. Kappaleessa keskitytään kuivatun yhdyskuntalietteen poltto-ominaisuuksiin. Tarkemmin käydään läpi lietteen koostumuksen vaikutusta tuhkan sulamispisteeseen. Tarkempi kemiallinen ja fysikaalinen tuhkan sulamispisteen tarkastelu rajataan pois. Yhdyskuntalietteen polttoon vaikuttaa sen kuivaustapa. Voidaan sanoa, että mitä enemmän sitä kuivataan, sitä korkeampi sen tehollisesta lämpöarvosta tulee. Yhdyskuntalietettä voi polttaa muun muassa seospolttona leijukerroskattiloissa, vain

27 27 yhdyskuntalietettä polttavassa lietteille valmistetussa kattilassa ja seospoltossa jätteenpolttolaitoksessa. (Lohiniva et al ) Esimerkiksi Amsterdamissa yhdyskuntalietteestä tuotetaan ensin biokaasua. Tämän jälkeen osa fosforista otetaan talteen lannoitteeksi, jonka jälkeen loppu liete poltetaan. (Van der Hoek 2016.) Taulukko 1 esittää yhdyskuntalietteen koostumusta. Taulukossa 2 on eri tavalla käsiteltyjen yhdyskuntalietteiden laskettuja tehollisia lämpöarvoja kuivana sekä niiden tulotilassa. Taulukon 1 mukaan yhdyskuntalietteessä on paljon fosforia. Jotkut fosforiyhdisteet polttoaineessa madaltavat tuhkan sulamispistettä. Tällöin sulanut tuhka voi aiheuttaa ongelmia kattilassa tuhkan poistossa ja lentotuhkassa. Yhdyskuntalietteessä on paljon muitakin tuhkan sulamispistettä alentavia alkuaineita. Esimerkkejä näistä ovat pii (Si), alumiini (Al), kalsium (Ca), magnesium (Mg), kalium (K) ja natrium (Na). Näiden vaikutusten tarkempi selvitys jätetään työn ulkopuolelle, koska niiden kemiallinen ja fysikaalinen toiminta on haastavaa mallintaa. Alentunut tuhkan sulamispiste voi aiheuttaa esimerkiksi kerrostumia lämmönvaihdinpinnoille. Tämä taas pienentää lämmönvaihtoa ja aiheuttaa korroosioriskin lämmönvaihdinpinnoille. Tämä kaikki pitää ottaa huomioon lietteenpolttokattilaa suunniteltaessa. 5.2 Yhdyskuntalietteen poltto PAKU-laitoksessa Tässä kappaleessa tutustutaan PAKU-laitoksen konseptiin yhdyskuntalietteen poltossa. Kappaleessa käydään tarkemmin läpi muun muassa PAKU-laitoksen vesi-höyrypiiriä sekä laitoksen tuotantomuotoa. Kappaleessa mainitaan ensimmäinen teollisen mittakaavan laitos sekä potentiaalisesti tulossa oleva laitos. Yhdyskuntalietettä voi polttaa PAKU-laitoksessa. Laitoskonsepti on tehty yhteistyössä Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston, Endev Oy:n ja muiden yritysten kanssa. (ENDEV Oy 2017b. 6.) Laitos pohjautuu kiertoleijukattilaan. Se on vastapainevoimalaitos. Jos halutaan tuottaa vain sähköä, mitoitetaan turbiinin ulostulo riittäväksi lietteen termiseen kuivaukseen. Terminen kuivain korvaa laitoksen lauhduttimen. Näin ylimääräistä lämpöä ei synny. PAKU-laitoksessa on yksinkertainen rakenne, joka vähentää laitoksen kustannuksia. (Marttila et al ) Toisena vaihtoehtona on mitoittaa laitos tuottamaan myös lämpöä joko kaukolämmöksi tai teollisuuden tarpeisiin. Seospoltto esimerkiksi jonkun biopolttoaineen kanssa on tässä tapauksessa järkevää. Myös pelkän

28 28 lämmön tuotanto on mahdollista, jolloin turbiinia ei tarvitse hankkia. (Marttila et al ) PAKU-teknologialla voi polttaa biokaasutuksen jälkeisen mädätysjäännöksen (ENDEV Oy 2017b. 9). Mädätysjäännöksen tehollinen lämpöarvo on biokaasutuksen jälkeen pienempi. Tällöin siitä ei saa yhtä paljon energiaa kuin ilman biokaasutusta. PAKU-laitoksen toimintaperiaate on samantapainen kuin muidenkin höyrykattilalaitosten. Prosessista on tehty mahdollisimman yksinkertainen. Näin saadaan laitoksen kustannukset pienenevät. Prosessin kiertoaineena on vesi. Syöttövesi esilämmitetään savukaasukanavassa ekonomaiserissa. Sieltä syöttövesi menee lieriöön. Lieriön kylläinen vesi menee kattilan pinnoilla oleviin putkiin ja sieltä savukaasukanavan läpi takaisin lieriöön. Tämä on kaksivaiheinen höyrystin. Lieriössä kylläinen vesi ja höyry ovat omissa faaseissaan ja pitävät yllä kylläistä tilaa. Kylläinen höyry viedään tulistimeen, josta se lähtee tuorehöyryarvoissa turbiiniin. Turbiini tuottaa mekaanista energiaa, jonka kautta tuotetaan sähköä generaattorin avulla. Turbiinista poistuva höyry käytetään erillisessä kuivurissa lauhduttimen tai kaukolämmön tuotannon sijaan. Kuivurissa turbiinista poistuva lämpö höyrystää lietteen sisältämää vettä. Tällöin kuivattua lietettä on helpompi polttaa kattilassa. Kuivurista poistuu vettä syöttövesisäiliöön. Sitä lämmitetään lieriön korkeapaineisella vedellä. Syöttövesisäiliöstä vesi pumpataan ekonomaiserin kautta takaisin lieriöön. Laitoksen voi muuttaa CHPlaitokseksi lisäämällä kuivurin rinnalle kaukolämmönvaihtimen. Tuottamalla myös lämpöä sähkön tuotanto pienenee. Laitoksessa voi myös polttaa jotain muuta biopolttoainetta tai seospolttoaineena lietteen kanssa. Laitoksesta voi myös ottaa turbiinin ja generaattorin kokonaan pois ja korvata ne kaukolämmönvaihtimella, jolloin laitos tuottaa vain lämpöä. Kokonaisuudessaan PAKU-laitoksen omakäyttöteho on suuri. (Marttila et al , 43.) Rovaniemelle ollaan rakentamassa kaupallinen PAKU-laitos. Sen on tarkoitus olla käynnissä vuoden 2019 alusta. Laitoksella on tarkoitus tuottaa vain lämpöä ja fosforipitoista metsälannoitetta. Laitoksen toimittaa ENDEV. (Napapiirin energia ja vesi 2017 & ENDEV 2017a.)

29 29 Lappeenrannan Toikansuon jätevedenpuhdistuslaitos korvataan uudella. Uusi laitos rakennetaan Hyväristönmäelle. Aluksi yhdyskuntaliete on tarkoitus kompostoida. Alueelle on kuitenkin tilanvaraus lietteen jatkojalostukselle joko lietteen ja biojätteen yhteismädätykselle tai lietteen poltolle. (Aluehallintovirasto , 12.) Lappeenrannan jäte- ja jätevesiratkaisujen elinkaariarvioinnissa lietteen polttoprosesseista PAKUprosessi on arvioitu. Elinkaariarvioinnissa ei näytä olevan otettu huomioon yhdyskuntalietteen sisältämiä haitta-aineita eikä niiden konsentroitumista mädätysjäännökseen. PAKU-laitoksen laskenta-arvoina on käytetty pelkkään lämmöntuottoon perustuvia arvoja valmistajalta. Investointikustannus PAKU-laitoksen kohdalla on alhaisin tarkastelluista vaihtoehdoista. Ympäristövaikutuksiltaan yhteismädätys vaikuttaa parhaimmalta vaihtoehdolta. Tässä vaihtoehdossa oletuksena kuitenkin käytetään mädätysjäännöksen soveltuvuutta lannoitustarkoituksiin. (Aaltonen et al. 2014, ) Näin ei välttämättä ole tulevaisuudessa. Tällöin PAKU-laitos olisi parempi vaihtoehto. Lisätutkimus aiheesta on tarpeen. Tämä rajataan kuitenkin työn ulkopuolelle. 5.3 Yhdyskuntalietteen polton päästöt Tässä kappaleessa selitetään yleisesti yhdyskuntalietteen poltosta aiheutuvia päästöjä. Kappaleessa keskitytään lietteen polton tuhkaan ja sen mahdolliseen hyötykäyttöön. Kappaleessa mainitaan muutamia päästöjä ja niiden synty- ja poistomekanismeja. Kaasumaisia päästöjä käydään läpi vain yleisellä tasolla ja tarkemmat päästökuvaukset rajataan työn ulkopuolelle. Yhdyskuntalietteen polton päästöjä ovat muun muassa savukaasupäästöt, pohja- ja lentotuhka. Lentotuhkassa on kattilassa höyrystyneitä raskasmetalleja. Polton jälkeiset sivuvirrat tulee mahdollisuuksien mukaan hyödyntää. Näin päästään lähemmäs kiertotaloutta ja yhdyskuntalietteen sisältämät ravinteet sekä muut arvokkaat aineet saadaan hyödynnettyä. Yhdyskuntalietteen poltosta saatava tuhka voidaan käyttää lannoitteena fosforin suhteen. Kuitenkin typpi menetetään poltossa kaasumaisiin päästöihin. (Manninen & Laitinen ) Fosfori on tärkeä osa maataloutta, eikä sen tuotanto ole kestävällä pohjalla. Osaratkaisuna tähän ongelmaan voi olla yhdyskuntalietteestä saatava fosfori, joka